Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Проведены теоретические и экспериментальные исследования в области «ударно-волнового» компактирования нано и микропорошков алюминия и смесей порошка алюминия с тугоплавкими порошками нанооксида алюминия, детонационного наноалмаза. Для получения «ударно-волновых» и литых композиционных материалов методами электрического взрыва проводника, плазмохимического синтеза, детонационного синтеза и самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) с последующей механохимической обработкой синтезированы наночастицы Al, наноалмаза, нанооксида алюминия, субмикрочастицы боридов алюминия и титана. Проведено исследование и характеризация свойств синтезированных порошков- морфологии, дисперсного и фазового состава, кинетических свойств, в т.ч. при повышенных температурах. Получены модели, позволяющие рассчитать пороговые значения давлений ударной-волны для порошковых смесей алюминий - 10 масс. % нанооксида алюминия, алюминий- 10 масс. % наноалмаза. Установлено, что добавка в порошок алюминия более твердых и тугоплавких компонентов (нанооксида алюминия и наноалмаз) повышает пределы давления для получения максимально плотного и однородного компакта методом «взрывного» («ударно-волнового») компактирования. Методом «ударно-волнового» компактирования порошков проведен синтез композиционных материалов на основе алюминия. Были получены материалы из нано- и мико-порошко) чистого алюминия (без добавок) как референсного материала и порошковых смесей: алюминий-10 масс.% наночастицы алмаза, алюминий-10 масс.% нанооксид алюминия. Установлено, что «ударно-волновое» компактирование нанопорошка алюминия позволяет получать наноструктурный алюминиевый материал с плотностью близкой к теоретической. Обнаружено что при «взрывном» компактировании порошковых смесей “нанопорошок алюминия-наночастицы алмаза/оксида алюминия” плотность получаемых материалов снижается (по сравнению с материалом без тугоплавких наночастиц) из-за образования пор вокруг и внутри агломератов наночастиц. Методом рентгеноструктурного анализа показано, что в “ударно-волновых композитах”, содержащих керамические и алмазные наночастицы, сформирована вторая - метастабильная фаза алюминия со значительно отличающимися структурными параметрами. Показано, что механические свойства (предел прочности, твердость) «ударно-волнового алюминия» в 2,5 раза выше по сравнению с технически чистым алюминием. При этом введение наноалмазов и наночастиц оксида алюминия в смеси с порошком алюминия приводит к дальнейшему улучшению механических свойств. С использованием разработанного оригинального устройства для механического замешивания порошковых материалов в расплав металла были проведены эксперименты по введению частиц диборида титана в расплав алюминия АК7. Обнаружено, что использование механического завихрителя позволяет вводить в алюминиевый расплав тугоплавкие частицы диборида титана, что в свою очередь, способствует получению отливок с мелкозернистой структурой и равномерно распределенными включениями частиц-упрочнтителей (диборид титана). Установлено, что средней размер зерна в сплавах уменьшается с 900 мкм до 400 мкм при введение 0,2 масс. % диборида титана, при этом предел текучести увеличивается с 15 МПа до 65 МПа, предел прочности с 140 МПа до 220 МПа при сохранении исходной пластичности 4,5 %. Изучена гидродинамика процесса перемешивания жидкого (расплавленного) металла в тигле под действием оригинального механического смесителя-завихрителя, выполненного в виде трех перфорированных дисков с размещенными на них штифтами. Получены оценки влияния скорости вращения завихрителя на картину течения жидкости в тигле. Показано, что увеличение скорости вращения завихрителя ведет к интенсивному росту турбулентной диффузии в жидком металле до тех пор, пока поверхность раздела металл-воздух не начнет взаимодействовать с нижним перфорированным диском завихрителя. С использованием различных методов внешнего воздействия (электростатическое поле, ультразвуковая обработка, вибрационная обработка) получены лёгкие сплавы на основе алюминиевого сплава АК7, упрочнённого наночастицами оксида алюминия. Установлено, что введение 0,2 вес.% наночастиц оксида алюминия способствует уменьшению пористости и среднего размера зерна (с 1000 до 300 мкм) сплава АК7) и увеличению механических свойств: предел текучести с 45 до 60 МПа, предел прочности с 175 до 210 МПа, пластичность с 3,5 до 4,5 %. Получены зависимости, связывающие время воздействия с физико-химическими свойствами частиц и расплава и с характеристиками акустического излучения. Установлено, что электростатический заряд поверхности частицы уменьшает краевой угол смачивания, тем сильнее, чем меньше частица. Ультразвуковое воздействие делает возможным пропитку агломератов частиц расплавом металла, и введения в расплав частиц благодаря создаваемому звукокапиллярному эффекту; время пропитки существенно зависит от значения краевого угла смачивания. Чем меньше краевой угол, тем меньше времени требуется для пропитки частицы с помощью ультразвука. Разработана физическая и математическая модель пластической деформации дисперсно-упрочненных сплавов с металлической матрицей и частицами второй фазы. Основой элементарных процессов и механизмов пластической деформации скольжения являются возникновение, генерация, движение и аннигиляция дефектов различного типа. Исследована в рамках приближения эффективной однородной деформационной среды релаксация различных элементов дислокационной структуры, включая их аннигиляцию; вычислена интенсивность аннигиляционных процессов. Математическая модель включает уравнения баланса сдвигообразующих дислокаций, призматических дислокационных петель межузельного типа и вакансионного типа, дислокаций в дипольных конфигурациях вакансионного типа и межузельного типа, межузельных атомов, моновакансий и бивакансий, уравнение, определяющее скорость деформации скольжения и уравнение, описывающее внешнее воздействие на деформируемый материал. В расчетах учитывается, что генерация дислокаций в дипольных конфигурациях начинается при достижении критической плотности дислокаций, величина которой определяется масштабными характеристиками упрочняющей фазы. Выявлено, что доминирующим элементом дислокационной структуры в дисперсно-упрочненных материалах с недеформируемыми частицами при низких температурах и при малых степенях деформации являются призматические петли у частиц упрочняющей фазы или – при больших степенях деформации – дислокации в дипольных конфигурациях, при высоких температурах – сдвигообразующие дислокации. В результате расчётов получено, что с увеличением диаметра частиц или уменьшением расстояний между ними напряжение течения возрастает и происходит более интенсивное накопление деформационных дефектов. Выявлено, что образование дислокационных диполей при достижении критической плотности дислокаций приводит к заметному возрастанию коэффициента деформационного упрочнения на кривой течения. Исходя из этого, возможно аномальное поведения коэффициента деформационного упрочнения: в гетерофазных сплавах с большей объемной долей упрочняющих частиц возможно меньшее упрочнение, что наблюдается и в реальном эксперименте.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Проведен ряд теоретических и и экспериментальных работ в области дисперсного упрочнения и модификации алюминиевых, магниевых и алюминиево-магниевых сплавов тугоплавкими частицами наноразмерного и субмикроразмерного диапазона. Модифицирована математическая модель пластической деформации дисперсно-упрочненных сплавов с алюминиевой матрицей и некогерентными частицами второй фазы. Уточнены основные процессы и механизмы пластической деформации линейных и точечных дефектов различного типа. С использованием математического моделирования исследовано влияние размеров некогерентных частиц на прочностные свойства гетерофазного сплава на основе алюминия в материалах с одинаковой объёмной долей упрочняющей фазы. Показано, что размер упрочняющих частиц является определяющим параметром для величины напряжения течения дисперсно-упрочнённых сплавов при разных температурах и объёмных долях упрочняющей фазы. Обнаружен диапазон температур для материалов с разной объёмной долей упрочняющей фазы и разным сочетанием масштабных характеристик упрочняющей фазы, в котором наблюдается термическая стабильность напряжения течения. Выявлено влияние скорости деформации на состав дефектной структуры и напряжение течения. Показано, что уменьшение скорости деформации приводит к снижению прочностных свойств дисперсно-упрочнённых материалов. Экспериментально показано, что наличие наночастиц Al2O3 в сплаве алюминия 6082 в количестве 0,2 масс. % способствует формированию более однородной и мелкозернистой структуры полуфабриката при комбинированной пластической деформации, сочетающей винтовую и ручьевую прокатку. В результате эффективного измельчения структуры по сравнению с не содержащим частицы сплавом, в деформированном сплаве с наночастицами наблюдаются более высокие значения микротвердости. Установлено, что введение наночастиц Al2O3 в алюминиевый сплав 6082 в сочетании с одновременным ультразвуковым воздействием на расплав и механическим перемешиванием способствует механизму упрочнения за счет образования внутренней структуры с меньшим размером зерна во всем объеме слитка. Уменьшение среднего размера зерна и присутствие упрочняющих частиц в исследуемом сплаве ведут к увеличению его физико-механических свойств. Механическое измельчение структуры сопровождается большим увеличением значений прочностных свойств и изменению свойств пластичности при одноосном растяжении по сравнению со сплавом без частиц. Проведены теоретические исследования, позволяющие полагать, что изменение агрегатного состояния вещества (кристаллизация) на поверхности вводимых малых (нано- или субмикронных) частиц оказывает существенное влияние на размеры зерен в конечном состоянии сплавов и композитов. Предложена тепловая модель изменения агрегатного состояния вещества (кристаллизации) при внесении в его объем частиц, что позволяет предсказать скорость и степень локального охлаждения расплава, время кристаллизации, а также минимальный размер результирующих кристаллов в зависимости от дисперсности частиц и их массовой концентрации. При натурном эксперименте подтверждены полученные в тепловой модели закономерности: чем меньше размер вводимых частиц, тем меньше должен быть размер зерна конечного сплава. Экспериментально установлено влияние скорости охлаждения расплава алюминия с наночастицами на структуру получаемых слитков. Выявлено, что с увеличением скорости охлаждения уменьшается средний размер зерна и размер дендритной ячейки получаемых слитков. При этом получен коэффициент, зависищий от природы сплава алюминия, для выражения описывающего связь расстояния между осями дендритов от скорости охлаждения сплава в интервале кристаллизации. Обнаружено, что частицы оксида алюминия при больших скоростях охлаждения распределены преимущественно в теле зерен/дендритной ячейки сплава. Проведен синтез и исследование металломатричных композитов на основе магния; с использованием ультразвуковой обработки расплава были получены материалы на основе литейного магниевого сплава АМ60, упрочненного наночастицами нитрида алюминия. Введение наночастиц нитрида алюминия в магниевый сплав способствовало получению мелкозернистой структуры получаемых отливок и, как следствие, увеличению механических характеристик сплава. Предел текучести увеличился на 103%, предел прочности на разрыв на 115% и пластичность на 140% по сравнению с исходным (без частиц) сплавом. Установлено, что при введении частиц TiB2 и С в расплав АМг5 микротвердость полученных слитков увеличивается с 750 до 880 МПа, условный предел текучести с 19 до 21 МПа, предел прочности с 47 до 69 МПа. После деформационной обработки до состояния листового проката (толщина листа 1,2 мм ) и отжига при температуре 310-330 °С, увеличиваются значения условного предела текучести с 308 до 343 МПа и предела прочности с 343 до 427 МПа, при пластичности 12 % для листов с частицами и без соответственно. По результатам выполнения работ в 2018 году опубликовано 9 работ в журналах, цитируемых базами Scopus, Web of Science и РИНЦ. В частности: 1 статья в журнале «JOM» (квартиль Q1), 2 статьи в журнале «Metals» (квартиль Q2), 1 статья в журнале «International Journal of Energetic Materials and Chemical Propulsion» (квартиль Q4), 4 статьи в журнале «Известия высших учебных заведений. Физика» (база РИНЦ, переводная версия журнала "Russian Physics Journal" индексируются в базе Web of Science - Q3), 1 статья в журнале «Вестник Томского государственного университета. Математика и механика» (база РИНЦ, переводная версия индексируются в базе Scopus). Научные результаты работ представлены на четырех Международных конференциях: 147-ом Ежегодном симпозиуме-выставке TMS 2018 (г. Феникс, США), 49-й Международной ежегодной конференции Фраунгоферского института химической технологии (г. Карлсруэ, Германия), Десятом Международном конгрессе «Цветные металлы и минералы» (г. Красноярск, Россия) и 14-й Международной конференции “HEMs-2018” (г. Томск, Россия). Также прошла рабочая встреча по проекту в Миланском политехническом университете (Италия) с привлечением заведующего лабораторией Л. Галфетти (Luciano Galfetti), К. Параван (Christian Paravan), С. Досси (Stefano Dossi), Ф. Маджи (Filippo Maggi). Получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ «Расчет напряжения течения и плотности дефектов дисперсно-упрочненного материала с алюминиевой матрицей и некогерентными сферическими частицами». Подана заявка на патент на изобретение «Способ упрочнения и заливки в литейные формы алюминиевых и магниевых сплавов». На основе проведенных исследований по проекту исполнителем Хрусталевым А.П. подготовлена диссертационная работа по теме: «Теоретические и экспериментальные исследования структуры и физико-механических свойств дисперсно-упрочненных композитов на основе алюминия и магния», рассмотренная на заседании физико-технического факультета, и принято положительное решение о представлении диссертации в диссертационный совет по специальности 01.02.04 - Механика деформируемого твердого тела на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Проведены теоретические и экспериментальные работы по исследованию дисперсно-упрочненных легких сплавов на основе алюминия и магния. С учетом данных экспериментальных исследования проведена модификация математической модели пластической деформации дисперсно-упрочненных материалов для исследования роли механизмов генерации, аннигиляции и взаимодействия деформационных дефектов (линейных и точечных) в деформационном упрочнении и эволюции дефектной структуры дисперсно-упрочнённых сплавов на основе алюминия тугоплавкими наночастицами. Проведен расчёт прочностных свойств (напряжения течения, коэффициента деформационного упрочнения) и поведения количественных характеристик, описывающих дефектную структуру, при вариации масштабных характеристик упрочняющей некогерентной фазы (размеров частиц и расстояния между ними) при различных внешних воздействиях (температуры и скорости деформации). Исследовано влияния дисперсности упрочняющей фазы на прочностные свойства материалов. Выработаны аналитические рекомендации по управлению свойствами и поведением дисперсно-упрочнённых алюминиевых и магниевых сплавов в различных условиях. Проведен теоретический анализ условий, при которых достигаются максимальные прочностные свойства в процессе деформации с постоянной скоростью сплавов, упрочненных тугоплавкими наночастицами. На основе подхода, сочетающего методы физической теории пластичности и механики деформируемого твердого тела исследована пластическая деформация толстостенной трубы из дисперсно-упрочнённого сплава, находящегося под действием однородного внутреннего и внешнего давления. Проведены теоретические исследования влияния температуры, размера и дисперсности частиц на напряжённо-деформированное состояние и прочностные свойства стенок трубы из сплава на основе алюминия, упрочненного твердыми наночастицами. Проведен ряд экспериментальных работ по получению и изучению магниевых композиционных сплавов, упрочненных наночастицами нитрида алюминия. Получены результаты измерений упруго-пластических и прочностных характеристик литейного магниевого сплава МЛ5, относящегося к системе Mg-Al-Zn-Mn, в различном структурном состоянии и при разных скоростях деформации при растяжении, а также в условиях нагружения испытуемых образцов плоскими ударными волнами субмикросекундной длительности. Испытания проведены с упрочненными сплавами и в исходном состоянии. При этом часть исследуемых сплавов подвергали термообработке с целью гомогенизации структуры. Получены данные о микроструктуре всех типов исследуемых образцов. Установлено, что наибольшими прочностными характеристиками обладает термообработанный металломатричный композит MЛ5/AlN как при квазистатическом, так и при ударно-волновом нагружении. Модификация сплава МЛ5 с помощью наночастиц нитрида алюминия в сочетании с закалкой и старением привело к двухкратному увеличению пластичности. Также изучено влияние наночастиц нитрида алюминия на сопротивление усталостному нагружению магниевых сплавов. Проведены исследования влияния наночастиц оксида алюминия на малоцикловую усталость технически чистого алюминия. Изучено влияние различной концентрации наночастиц оксида алюминия на сплавы алюминия. Выявлена тенденция увеличения сопротивляемости усталостному нагружению сплавов, упрочненных наночастицами оксида алюминия, при этом обнаружено, что наибольшую эффективность оказывает добавление наночастиц в количестве до 1 масс.%; сплавы с последующими концентрациями уравниваются в свойствах с исходным (без частиц) сплавами. Изучено влияние частиц диборида титана на структуру и механические свойства алюминиевого сплава АК7 до и после термообработки. Показано, что термообработка приводит к увеличению размеров кремниевой эвтектики с формированием дендритной структуры. При термообработке в режиме Т4, размер эвтектики увеличивается до 20 мкм. В режиме Т6 ее размер увеличивается до 40 мкм. Введение частиц в сплав АК7 с последующей термообработкой Т6 позволяет измельчать размер эвтектических включений до 5 мкм. Выявлено снижение среднего размера зерна с 449 мкм (исходный сплав без частиц) до 140 мкм при введении 0,5 масс. % TiB2. Результаты механических испытаний на одноосное растяжение показали, что введение частиц диборида титана в сплав алюминия АК7 приводит к увеличению условного предела текучести с 96 и 141 МПа, предела прочности с 203 до 261 МПа и пластичности с 2.3 до 2.8 %, соответственно. При этом, увеличение скорости деформации приводит к увеличение условного предела текучести, уменьшение предела прочности и кратное снижение пластичности исследуемых сплавов АК7. Упрочненный частицами диборида титана сплав при повышении скорости деформации ведет себя подобно квазихрупкому телу с плохо выраженным участком равномерной пластической деформации без развития неравномерного течения и образования шейки. Проведены исследования алюминиевых сплавов системы Al-Mg с частицами диборида титана различной дисперсности. Введение частиц в сплав проводилось с использованием лигатур, изготовленных методом СВС-синтеза. Полученные лигатуры состояли из интерметаллической матрицы Al-Ti, наполненной частицами TiB2. Установлено, что использование лигатур с частицами TiB2 различной дисперсности при введении в расплав с одновременным воздействием ультразвуковой обработки позволяет измельчать зерно алюминиевого сплава при последующей кристаллизации. Установлено, что введение микро и наночастиц TiB2 позволяет увеличить предел текучести, предел прочности и пластичность алюминиевых сплавов в литом состоянии. Установлено, что что введение лигатуры с бимодальным распределением частиц по размерам (100 нм и 3-5 мкм) диборида титана в количестве 4-4.5×1020 шт. позволяет измельчать зеренную структуру литого алюминиевого сплава АМг5 с 205 до 158 µm, за счёт чего повышается его предел текучести, предел прочности и пластичность с 57 до 71 МПа, с 155 до 201 МПа и с 11.5 до 18.8 % соответственно. Показано, что наибольший эффект модифицирования структуры алюминиевого сплава АМг5 наблюдается при использовании микрочастиц диборида титана размером 1 мкм. Обнаружено, что использование лигатур с бимодальным распределением частиц диборида титиана по размерам (100 нм и 1-5 мкм) позволяет достичь дополнительный эффект упрочнения. По результатам выполнения работ в 2019 году опубликовано 10 статей в журналах, цитируемых базами Scopus, Web of Science и РИНЦ. Из них: 4 статьи в в журнале «Metals» (квартиль Q1 по Web of Science), 1 статья в журнале «Archives of Acoustic» (квартиль Q2 Scopus), 5 статей в журнале «Известия высших учебных заведений. Физика» (база РИНЦ, переводная версия журнала «Russian Physics Journal» индексируются в базах Web of Science, Scopus). Научные результаты работ представлены на четырех Международных конференциях: XVth International Workshop High Energetic Materials (HEMs-2019): Demilitarization, Antiterrorism and Civil Applications. Monaco (Principality of Monaco), (28-31 October 2019); Перспективы развития фундаментальных наук. XVI Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых. Россия, Томск (23-26.04.2019); European Congress and Exhibition on Advanced Materials and Processes. Швеция, Стокгольм (01-05.09.2019); XXV Conference «Aluminium of Siberia. Россия, Красноярск (16-20.09.2019). Получен патент на изобретение 2691826 «Способ получения отливок из дисперсно-упрочненных сплавов на основе алюминия или магния» (авторы из состава исполнителей проекта: Ворожцов А.Б., Хмелева М.Г.); получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 2019661897 "Расчет плотности дефектов и напряжения течения гетерофазного материала с ГЦК-матрицей, упрочненной когерентными и некогерентными частицами" (авторы: Данейко О.И., Ковалевская Т.А.). На основе проведенных исследований по проекту исполнителем Хрусталевым А.П. 27.09.2019 г. защищена диссертационная работа по теме: «Исследование физико-механических свойств дисперсно-упрочнённых композитов на основе алюминия и магния» по специальности 01.02.04 - Механика деформируемого твердого тела на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Ссылка на информационные ресурсы в сети Интернет, посвященные проекту http://www.tsu.ru/news/materialy-dlya-bezopasnosti-i-kosmosa-predstavili-/ Название «Ученые ТГУ представили в Монако материалы для безопасности и космоса».